在宇宙大爆炸后不到一秒的时间里，一个原始黑洞在热的、带彩色电荷的夸克和胶子的海洋中形成。来源:Ka?a bradonjiki

　　在第一个quintillion里根据麻省理工学院物理学家的说法，宇宙可能在n秒的时间里出现了带有大量核电荷的微观黑洞。

　　麻省理工学院的研究人员提出，原始黑洞可能是暗物质的一种形式，可能在大爆炸后的最初时刻形成，并携带着高水平的核属性，即色荷。这些超级带电黑洞，尽管存在时间很短，但可能影响了早期宇宙的宇宙学，并可以解释一些天文现象今天观察到的自然现象。

　　暗物质和原始黑洞

　　从你手中的手机到遥远的恒星和星系，每一公斤我们能看到的物质中，就有5公斤不可见的物质渗透在我们的周围。这种“暗物质”是一种神秘的实体，它逃避了所有形式的直接观察，但通过它对可见物体的不可见引力，使人们感受到它的存在。

　　50年前，物理学家斯蒂芬·霍金提出了暗物质可能是什么的想法:一群黑洞，它们可能在大爆炸后不久就形成了。这样的“原始”黑洞不会是我们今天探测到的巨人，而是在大爆炸后的第一个万亿分之一秒内形成的超密集物质的微观区域，然后坍塌并分散在宇宙中，以某种方式拉动周围的时空，这可以解释我们今天所知道的暗物质。

　　发现超级带电黑洞

　　现在，麻省理工学院的物理学家们发现，这个原始过程也会产生一些意想不到的同伴:甚至更小的黑洞，它们具有前所未有的核物理性质，即“色荷”。

　　这些最小的“超级带电”黑洞可能是一种全新的物质状态，可能在它们产生后的几分之一秒内就蒸发了。然而，它们仍然可能影响了一个关键的宇宙学转变:第一个原子核形成的时间。物理学家推测，带彩色电荷的黑洞可能影响了核聚变的平衡，天文学家可能会在未来的某一天通过测量来探测到这种影响。这样的观察结果将令人信服地指出，原始黑洞是今天所有暗物质的根源。

　　“尽管这些短命的外来生物今天并不存在，但它们可能以某种方式影响了宇宙的历史，这些方式可能在今天以微妙的信号表现出来，”麻省理工学院Germeshausen科学史教授和物理学教授大卫·凯泽(David Kaiser)说。“在所有暗物质都可以用黑洞来解释的想法中，这给了我们新的东西去寻找。”

　　Kaiser和他的合作者，麻省理工学院的研究生Elba Alonso-Monsalve，在6月6日的《物理评论快报》上发表了他们的研究。

　　没有星星的时代

　　我们今天所知道和探测到的黑洞是恒星坍缩的产物，当一颗大质量恒星的中心坍缩形成一个非常致密的区域时，它可以弯曲时空，以至于任何东西——甚至光——都被困在里面。这种“天体物理学”黑洞的质量可以是太阳的几倍，也可以是太阳的数十亿倍。

　　相比之下，“原始”黑洞可能要小得多，并且被认为是在恒星出现之前形成的。在宇宙孕育出基本元素之前，更不用说恒星了，科学家们相信，超密集的原始物质可能已经聚集并坍缩形成微观黑洞，这些黑洞的密度可能会大到将小行星的质量压缩到一个原子那么小的区域。这些分散在宇宙中的微小的、看不见的物体产生的引力可以解释我们今天看不到的所有暗物质。

　　如果是这样的话，那么这些原始黑洞是由什么构成的呢?这就是Kaiser和Alonso-Monsalve在他们的新研究中提出的问题。

　　凯泽解释说:“人们已经研究了在早期宇宙产生过程中黑洞质量的分布，但从未将其与黑洞形成时落入黑洞的物质联系起来。”

　　实事求是犀牛

　　麻省理工学院的物理学家们首先通过现有的理论来寻找黑洞质量在早期宇宙中首次形成时的可能分布。

　　阿隆索-蒙萨尔维说:“我们的认识是，在原始黑洞形成的时间和它形成的质量之间有直接的联系。”“这个时间窗口早得离谱。”

　　她和凯泽计算出，原始黑洞一定是在大爆炸后的第一个万亿分之一秒内形成的。这一瞬间会产生“典型的”微观黑洞，它们有小行星那么大，有原子那么小。它也会产生一小部分指数级较小的黑洞，它们的质量相当于一头犀牛，体积比单个质子小得多。

　　这些原始黑洞是由什么构成的呢?为此，他们着眼于探索早期宇宙组成的研究，特别是量子色动力学理论(QCD)——研究夸克和胶子如何相互作用。

　　量子动力学和黑洞形成

　　夸克和胶子是质子和中子的基本组成部分，质子和中子是组成元素周期表基本元素的基本粒子。在大爆炸之后，物理学家根据量子cd估计，宇宙是一个由夸克和胶子组成的非常热的等离子体，然后迅速冷却并结合产生质子和中子。

　　研究人员发现，在最初的万亿分之一秒内，宇宙仍将是一锅尚未结合的自由夸克和胶子的汤。在这段时间内形成的任何黑洞都会吞噬掉这些不受束缚的粒子，同时也会吞噬掉一种被称为“色荷”的奇特性质——一种只有未结合的夸克和胶子才携带的电荷状态。

　　色电荷在黑洞动力学中的作用

　　“一旦我们发现这些黑洞是在夸克-胶子等离子体中形成的，我们必须弄清楚的最重要的事情是，最终形成原始黑洞的物质团块中含有多少色荷?”Alonso-Monsalve说。

　　利用QCD理论，他们计算出了在炽热的早期等离子体中应该存在的色荷的分布。然后，他们将其与一个区域的大小进行了比较，该区域将在五分之一秒内坍缩形成黑洞。事实证明，当时大多数典型的黑洞都不会有太多的色荷，因为它们是通过吸收大量混合电荷的区域形成的，这些区域最终会形成“中性”电荷。

　　有限公司结论和未来意义

　　但最小的黑洞则充满了色电荷。事实上，根据基本的物理定律，它们可能包含了黑洞所允许的最大数量的任何类型的电荷。虽然这种“极端”黑洞的假设已经存在了几十年，但直到现在还没有人发现一个现实的过程，通过这个过程，这种奇怪的东西实际上可以在我们的宇宙中形成。

　　伦敦玛丽女王大学的伯纳德·卡尔教授是研究原始黑洞的专家，他最初与斯蒂芬·霍金一起研究这个话题，他形容这项新工作“令人兴奋”。卡尔没有参与这项研究，他说，这项工作“表明，在某些情况下，早期宇宙的一小部分可以进入具有大量色电荷的物体(至少在一段时间内)，比以前在QCD研究中发现的要大得多。”

　　超级带电的黑洞会迅速蒸发，但可能只是在第一个原子核开始形成之后。科学家们估计，这个过程大约在大爆炸后一秒钟开始，这将给极端黑洞足够的时间来破坏第一个原子核开始形成时普遍存在的平衡条件。这样的扰动可能会潜在地影响到这些最早的核是如何形成的，也许有一天会被观察到。

　　“这些物体可能留下了一些令人兴奋的观测印记，”阿隆索-蒙萨尔维沉思道。“他们可能已经改变了这个和那个的平衡，这是人们开始怀疑的事情。”

　　参考文献:Elba Alonso-Monsalve和David I. Kaiser的“具有QCD色电荷的原始黑洞”，2024年6月6日，《物理评论快报》。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.132.231402

　　这项研究得到了美国能源部的部分支持。Alonso-Monsalve还获得了麻省理工学院物理系的奖学金。